阻燃重组木的研究分析

王惠芸，曹平祥，王　俊，李金玉，梁星宇*

(1.南京林业大学 材料科学与工程学院，南京 210037；2.大亚(江苏)地板有限公司，江苏 丹阳 212300)



阻燃重组木的研究分析

王惠芸1，曹平祥1，王俊2，李金玉2，梁星宇1*

(1.南京林业大学 材料科学与工程学院，南京 210037；2.大亚(江苏)地板有限公司，江苏 丹阳 212300)

摘要：从重组木阻燃机理、阻燃剂种类、阻燃处理方法、阻燃重组木性能检测等多个方面论述阻燃重组木的研究现状。分析研究国内外学者的研究成果，提出阻燃剂需向多功能化、清洁环保、重抑烟性能3个方向发展及处理阻燃重组木新方法的探索。最后讨论了目前阻燃重组木开发中存在的问题以及发展对策。

关键词：重组木；阻燃剂；阻燃机理

0引言

重组木(Scrimber)是保持木材纤维方向和基本特性基础上，将其碾压成“木束”重新改性，施胶、热压制成的一种高强度、大规格、具有天然木材纹理结构的新型人造板产品，完全可以代替实木硬木，其性能优于实木硬木[1]。可用作家具、地板、门窗等装修材料。而重组木是一种新型的人造板，属于易燃物，全世界每年发生火灾次数大约为500万起，有将近10万人葬身在火海之中，而火灾的发生往往与使用未经阻燃处理的易燃物有直接关系[2]，重组木作为一种应用越来越广泛的人造板材料，对其阻燃性能的研究受到了有关部门和相关研究人员的重视。

1重组木阻燃机理

目前还没有专门针对重组木的阻燃机理，但是重组木也是一种木材，其阻燃机理与木材类似[3-6]。而阻燃机理和燃烧理论是相对的，一般将木材燃烧理论主要分为3个阶段，分别是吸热阶段、热分解阶段和燃烧阶段。针对这3个阶段的燃烧理论，可将阻燃机理分为以下几种。如图1所示。

图1　阻燃机理归纳图

(1)覆盖作用

利用阻燃剂熔融后覆盖于木材的表面，隔断了木材与外部的热量交换，降低了木材的热分解速度并且隔绝氧气，破坏燃烧条件。

(2)热作用

①隔热作用：利用阻燃剂燃烧时产生的不可燃物质，例如发泡物、玻璃熔融物等减缓热量的传递。

②吸热作用：高温下的阻燃剂会产生气体，这些气体具有吸热作用，可以降低木材的温度。使木材达不到燃点，实现阻燃。

③热传导作用：加快木材燃烧时热量的传导，导致木材本身难以积聚热量从而木材温度降低，实现阻燃。

(3)气体稀释作用

阻燃剂高温下会产生很多不可燃气体，与木材燃烧时分解的可燃气体混合，起到一个稀释的作用，从而降低了可燃气体的浓度，当浓度稀释到一定值时，将不满足木材燃烧条件，实现阻燃。

(4)阻止连锁反应作用

燃烧的过程主要是游离基的反应[7]。而含卤素的阻燃剂在燃烧过程中可以捕获到引起链式反应的OH，从而达到阻燃的效果。

(5)脱水碳化作用

阻燃剂在受热情况下，生成酸或碱，促使纤维素脱水碳化，使得燃烧后残渣增加可燃性气体减少，抑制燃烧。

(6)与氢结合作用

阻燃剂中的一些化学键例如磷酸、硫酸盐中的-OH、-NH2等可与木材中的纤维素和木素中的氢发生反应，产生不可燃物，缓解木材进一步燃烧。

(7)防止表面灼热燃烧机理

防止表面灼热燃烧可分为物理作用和化学作用。前者是利用阻燃剂形成保护层切断炭表面与氧气的接触，从而抑制无焰燃烧；后者主要将生成的CO2进行转化，因为木材燃烧过程中，发生的是氧化反应，氧化反应主要生成CO2和CO，燃烧生成CO2的热量较大，所以要在燃烧过程中减少CO2的生成量，从而减少燃烧的发热量。而阻燃剂中含有磷的化合物，在氧化反应时，经过磷处理过后的炭生成的CO2/CO数值比没有处理的炭低9倍多。所以经过磷处理后CO2释放量显著减少，发热量也显著减小。

2阻燃剂的开发与研究现状

不仅仅是重组木，所有阻燃产品的研究与开发都离不开阻燃剂的研究与开发。目前阻燃剂种类繁多，在选择阻燃剂时，应从是否能有效减缓燃烧速度、燃烧有无毒性、抗流失性等多个方面综合考虑[8]。到目前为止，还未出现一种阻燃剂能够达到以上所有要求。

2.1阻燃剂的分类

阻燃剂如按使用方法可分为添加型阻燃剂和反应型阻燃剂；按化学成分可分为无机阻燃剂和有机阻燃剂；按元素种类可分为卤系、氮系、硅系磷系等阻燃剂；按阻燃作用可分为膨胀型阻燃剂和成炭阻燃剂等。通常是按使用方法进行分类，即分为添加型和反应型[9]。

2.1.1添加型阻燃剂

添加型阻燃剂在阻燃剂中占主导地位，其作用原理即阻燃剂与木材不发生反应，只是物理的分布在木材中以提高其阻燃性能。添加型阻燃剂中有无机阻燃剂和有机阻燃剂，其中，无机阻燃剂占阻燃剂用量的60%以上，常见的添加型有水合氧化铝、聚磷酸铵和磷酸氢二铵等，它们也都属于无机阻燃剂[10]。水合氧化铝即阻燃剂简称ATH，是无机阻燃剂中应用最多的，大约占80%。它不仅具有良好的阻燃性，并且其抑烟性能也很好。在现实的火灾事故中，对人类生命产生威胁的往往是那些燃烧产生的烟气，导致人类窒息死亡，所以在美国等发达国家，抑烟性甚至比阻燃性更为重要[11]。

2.1.2反应型阻燃剂

反应型阻燃剂顾名思义即可与木材中的纤维素或者胶黏剂发生化学反应，将具有阻燃性能的化学键载到木材分子上，使得木材也具有阻燃性能[12]。因为其高稳定性，在相同阻燃剂用量条件下，反应型阻燃剂阻燃效果较添加型要显著。

2.2阻燃剂研究发展

日本、前苏联和英国等一些发达国家在20世纪80年代中期采用上述所说的几种无机阻燃剂对人造板进行阻燃处理，发现这些无机阻燃剂吸潮性大，抗流失性差，不能用于湿度大的环境中[13-15]；各阻燃剂阻燃效果不尽相同，其中磷酸氢二铵的阻燃效果最好。为了解决阻燃剂抗流失性差等缺点，日本在20世纪90年代初期，首次采用无机阻燃剂二次浸渍法，即将人造板分别用两种不同的阻燃剂进行浸渍，产生了阻燃剂的协效作用，提高阻燃性能。随着高分子工业的迅速发展，在20世纪70年代初期，研发了一种氨基树脂型阻燃剂，该阻燃剂抗流失性好，但制作工序较为复杂，并且有甲醛释放。20世纪80年代中期出现了一种集抗流失、低毒等优点于一身的第2代新型阻燃剂[16]，将脲醛树脂胶和其他物质共聚制得阻燃胶黏剂；Charles[17]等人在阻燃处理工艺中增设了NaOH溶液浸泡处理，结果表明可大大提升阻燃性能。

我们国家对阻燃重组木这一块研究的很少，阻燃剂的选用及方法大多参照其他几种常见的阻燃人造板，比如阻燃胶合板和刨花板等。近几年我国学者对阻燃重组木进行了一些研究。例如2008年顾东兰[18]利用酚醛树脂胶黏剂复配改性，制得阻燃效果显著的重组木，达到日本标准JISD1322-77中难燃一级品的要求；2011年傅深渊[19]等人研究开发的高效阻燃稳定型重组木胶板生产方法中，就是采用30～70份粉状水溶性聚磷酸铵作为主要阻燃剂处理重组木的。其阻燃机理是聚磷酸铵在燃烧过程中会产生氨和非常稳定的不可燃聚合物，起到覆盖作用，将燃烧物与氧气隔绝，实现阻燃；2014年Chungui DU[20]等人研究了阻燃剂不同施加方法对重组木物理力学性能的影响，采用磷酸氢二铵阻燃剂，结果表明在施胶之前添加阻燃剂可以提高重组木的物理力学性能，但是会增加成本；2015年陈卫民、李新功[21]等人通过在酚醛树脂胶中添加无机矿物质粉，制备了具有阻燃性能的重组木。

2.3阻燃剂发展趋势

(1)阻燃剂功用多能化。在今后的阻燃剂开发与发展中，已经不仅仅局限于阻燃剂只能阻燃，而是在阻燃的基础上可以实现防腐、防虫或者其他功用，做到“一剂多用”。

(2)清洁环保[22]。阻燃人造板是应用广泛的建筑用材，与人类的生活密不可分，现在提倡绿色生活理念，这种理念也要贯彻到阻燃剂的研发中，生产环境友好型阻燃剂。

(3)提高阻燃剂抑烟性能。在实际的生活中，发生火灾时，真正威胁到人类生命安全的绝大多数是燃烧产生的大量烟气，导致人类窒息死亡，所以，提高阻燃剂抑烟性能刻不容缓。

3重组木阻燃处理方法

参考阻燃人造板阻燃处理方法，最常见的木材阻燃方法可分为浸渍法、涂刷法、制备阻燃性胶黏剂法等[23]。现研究阶段，有关重组木阻燃处理方法的主要为浸渍法。

3.1现行阻燃处理方法

如今阻燃重组木主要采用阻燃剂浸渍法。即将碾压的木丝束浸泡在阻燃剂中，浸渍可分为常压浸渍和加压浸渍，后者较前者在相同时间内木丝束阻燃剂的载药量高。在阻燃剂浸渍法中，影响重组木阻燃性能的有浸泡阻燃剂的浓度、浸渍时间等因素。

根据重组木生产工艺流程，可得到阻燃重组木生产工艺流程如图2所示。

图2　阻燃重组木工艺流程图Fig.2 The technological process chart of scrimber

3.2重组木阻燃处理方法新探索

(1)可将多种阻燃处理方法结合。例如将浸渍法和制备阻燃性胶黏剂法相结合，将碾压好的木丝束浸渍在有阻燃性能的胶黏剂中，既完成了阻燃处理，又完成了施胶这一工序，节约时间，提高产量。

(2)可学习阻燃胶合板成板阻燃方法[24]，在重组木制备完成后再进行阻燃处理，可采用涂刷法、浸渍法等。这种处理方法可使重组木表面阻燃性能得到大大的提高，但是缺点是在进行阻燃处理后，还要多加一步干燥的工序，会提高成本。

(3)借鉴阻燃刨花板的处理方法，将粉状阻燃剂均匀的洒在重组木板面上，在一定条件下热压，阻燃剂渗入刨花板内，使重组木具有一定的防火性能[25]。

4阻燃重组木性能检测

现如今，我国还没有出台关于阻燃重组木的性能检测标准，多采用建筑材料燃烧性能检测方法，测试内容包括可燃性试验、难燃性试验、烟密度试验等，最后可根据相关标准进行分级[26-27]。

4.1点燃性的检测方法

点燃性的检测包括点着温度的检测和氧指数的检测[28-29]。分别采用标准GB 4610-84《塑料燃烧性能试验方法-点着温度测定》、GB 2406-93《塑料燃烧性能试验方法-氧指数法》[30]。点着温度是指在一定条件下，外火焰能点燃试验材料所发出的可燃性气体并导致其燃烧的最低温度。它反映了材料燃烧所需要的最低温度，多次试验结果对进一步研究材料阻燃剂、阻燃工艺有一定的意义。氧指数是指在一定条件下，试验材料燃烧所需要氧气的一个最低浓度指标。氧指数是一个百分数，数值越高，说明材料被点燃时需要的氧气越多，代表该材料越难燃烧，这是初步判断材料燃烧性能的一种简便的方法。

4.2火焰传播性的检测方法

作为材料燃烧的一个必不可缺的性能，火焰传播性是指在试验材料的一端点燃一定时间，火焰沿实验材料表面蔓延的速度。可通过检测火焰燃烧过后试验材料的炭化长度、面积等衡量材料的火焰传播性。对于火焰传播性的检测主要有隧道法、火传播试验法和直接点燃法。

隧道法主要根据行业标准ZBG 51002-85《防火涂料防火性能试验方法-隧道燃烧法》进行试验，国外也有相关的标准，例如美国的ASTM-84标准、加拿大的CAN/ULC-S102标准。利用隧道炉，将一定规格的试样放入其中，用外火焰燃烧试验一段时间，测试该时间段内火焰的传播速度，并且分别和难燃性材料和易燃性材料的火焰传播速度作对比，利用相关的公式计算出材料的火焰传播指数，指数越低，说明其易燃，阻燃性能差；指数越高，则阻燃性能好。

火传播试验方法不同于其他方法，它既有热辐射源又有明火点燃。其试验方法是将试验材料放在燃烧箱中，检测其燃烧时所释放烟气的温度，再将其温度数据进行处理，并和难燃性材料燃烧时释放烟气温度的数据作对比分析计算，最后得出试验材料的火传播指数。我国相关标准有GB/T 17658-1999《阻燃木材燃烧性能试验-火传播试验方法》，国外相关标准有英国的BS 476 Part6。

直接点燃法可让试件与火焰呈45°角燃烧，即45°角燃烧法。主要检测的指标是火焰燃烧后的炭化长度及面积和燃烧前后的质量差。我国相关的标准有ZBG 51003-83，日本标准JIS A 1322-66，美国标准ASTM D 1360-79等[29-30]。

4.3释热性和释热速度的检测方法

释热性即单位质量的材料在完全燃烧时所释放热量多少的性能，而释热速度即单位质量的材料在单位时间内完全燃烧时所释放热量多少的性能。然而我国并没有相关的标准，就采用GB-213《煤的发热量测试方法》代替。国外相关标准例如澳大利亚的国家标准AS-1530.3等。

4.4发烟性的检测方法

发烟性能的测试主要有3种方法，分别是测光法、重量法和分析法。其中，最常用的测试方法是测光法。指在材料燃烧时，产生的烟气对光的吸收程度大小，若对光遮蔽性好并且光强度衰减很快，则烟气浓度高，材料发烟性较高。有关标准有JISD-1201。

4.5理化性能的检测方法

阻燃重组木不仅需要检测阻燃相关性能，也要检测其理化性能。常见的检测指标有含水率、密度、弹性模量、静曲强度、尺寸稳定性、吸水厚度膨胀率等。参看的标准为GB/T 17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能实验方法》。

4.6其他检测方法

(1)锥形量热仪法：锥形量热仪是一种以量热学为学科基础利用耗氧原理，集多种试验于一体的先进试验仪器，并且可以模拟小比例火灾，可用来综合评价和研究人造板的阻燃性能。是目前最先进的试验仪器，但是价格太高，很难普及。相关标准有国际标准ISO 5660-1-2002，我国根据国际标准也发布了锥形量热仪法的检测方法标准GB/T-16172-2007《建筑材料热释放速率试验方法》

(2)热分析法：用来测定物质的某些物理参数与温度关系的方法。主要包括热重分析、差热分析和差示扫描量热法等。一般将几种方法联合起来考虑阻燃效果，对研究材料燃烧、阻燃机理有积极意义。

(3)火管仪法：主要检测材料的可燃性。通过材料燃烧前后的质量差来衡量其燃烧性能。相关标准有法国标准DIN 4102，日本标准JISA1322，英国标准BS476和美国标准ANSI/ASTME69-80。

5阻燃重组木存在问题和发展对策

5.1存在问题

(1)我国至今还没有针对检测阻燃重组木燃烧性能的标准及方法，很大程度制约了其发展。

(2)法律法规不够健全。我国法律法规对阻燃还是太过“宽松”，例如在建筑行业，只是对建筑构件有阻燃要求，而对于内部装修的材料却没有硬性规定。

(3)阻燃重组木处理工艺单一，品种较少，年产率低，较难实现产业化。

5.2发展对策

(1)检测技术标准化。根据重组木制定相应的检测方法和标准，精确地评价阻燃重组木的阻燃性质。

(2)阻燃法制化。加大宣传，提高人们法治意识；加快推进有关阻燃材料法律的建立，强制性必须使用阻燃材料，即可加速阻燃材料的研究与发展，包括阻燃重组木。

(3)阻燃剂新型化。不断完善阻燃剂和阻燃重组木生产技术，阻燃剂向低毒、环保的方向研制，降低生产成本，研制出新型高效的阻燃重组木。

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Research Status of Flame-retarded Scrimber

Wang Huiyun1，Cao Pingxiang1，Wang Jun2，Li Jinyu2，Liang Xingyu1*

(1.College of Material Science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037；2.Dare(Jiangsu)Parquet Co.，Ltd.，Danyang 212300，Jiangsu Province)

Abstract：This paper introduced the research status of fire-retarded scrimber from the aspects of flame retardant mechanism，fire retardant treatments，the common fire retardants and the test method of fire-retardant effects and analyzed the study results of scholars at home and abroad.It was proposed that the fire retardants should be more functional，cleaner，more smoke-suppressed and new treatment methods of flame retardant scrimber were suggested.Finally，the existing issues in the development of fire retardant scrimber were discussed and the corresponding development countermeasures were put forward.

Keywords：scrimber；fire retardants；burning-resistant mechanism

中图分类号：S 756；TS 653.2

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2016)03-0048-05

*通信作者：梁星宇, 学士，讲师。研究方向：木质复合材料。youngleiguo@hotmail.com

作者简介：第一王惠芸，硕士研究生。研究方向：木材加工装备工程。

基金项目：江苏省前瞻性联合研究项目(BY2015006-04)

收稿日期：2015-11-30

引文格式：王惠芸，曹平祥，王俊，等.阻燃重组木的研究分析[J].森林工程，2016，32(3)：48-52.